淺談建筑結(jié)構(gòu)抗震的概念設計

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【摘要】建筑結(jié)構(gòu)抗震設計中的概念設計是對建筑抗震設計的宏觀控制。本文根據(jù)地震的特點，從建筑物的場地選擇、平立面形式、結(jié)構(gòu)布置、延性等方面論述了建筑結(jié)構(gòu)設計中概念設計的內(nèi)容。

  【關鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設計       一、關于建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設計的概述       我國結(jié)構(gòu)計算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗估算、容許應力法、破損階段計算、極限狀態(tài)計算，到目前普遍采用的概率極限狀態(tài)理論等階段?，F(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50068-2001）則采用以概率理論為基礎的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設計準則，以使建筑結(jié)構(gòu)的設計得以符合技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用的原則。概率極限狀態(tài)設計法更科學、更合理，但該法在運算過程中還帶有一定程度近似，只能視作近似概率法，并且僅憑極限狀態(tài)設計也很難估算建筑物的真正承載力。事實上，建筑物是一個空間結(jié)構(gòu)，各種構(gòu)件以相當復雜的方式共同工作，并非是脫離結(jié)構(gòu)體系的單獨構(gòu)件。   地震具有隨機性、不確定性和復雜性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前是很難做到的。而建筑物本身又是一個龐大復雜的系統(tǒng)，在遭受地震作用后其破壞機理和破壞過程十分復雜。且在結(jié)構(gòu)分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時效、阻尼變化等多種因素，也存在著不確定性。因此，結(jié)構(gòu)工程抗震問題不能完全依賴“計算設計”解決。應立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經(jīng)驗總結(jié)的工程抗震基本概念，從“概念設計”的角度著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應，按照結(jié)構(gòu)的破壞過程，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設計中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關鍵部位的細節(jié)構(gòu)造，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。       二、抗震概念設計的基本原則與要求       1.選擇有利場地。造成建筑物震害的原因是多方面的，場地條件是其中之一。由于場地因素引起的震害往往特別嚴重，而且有些情況僅僅依靠工程措施來彌補是很困難的。因此，選擇工程場址時，應進行詳細勘察，搞清地形、地質(zhì)情況，挑選對建筑抗震有利的地段，盡可能避開對建筑抗震不利的地段，任何情況下均不得在抗震危險地段上建造可能引起人員傷亡或較大經(jīng)濟損失的建筑物。   對建筑抗震有利的地段，一般是指位于開闊平坦地帶的堅硬場地土或密實均勻中硬場地土。建造于這類場地上的建筑一般不會發(fā)生由于地基失效導致的震害，從而可從根本上減輕地震對建筑物的影響。對建筑抗震不利的地段，就地形而言，一般是指條狀突出的山嘴、孤立的山包和山梁的頂部、高差較大的臺地邊緣、非巖質(zhì)的陡坡、河岸和邊坡的邊緣；就場地土質(zhì)而言，一般是指軟弱土、易液化土、故河道、斷層破碎帶、暗埋塘浜溝谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的地段。2.采用合理的建筑平立面。建筑物的動力性能基本上取決于其建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局簡單合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，就能從根本上保證房屋具有良好的抗震性能。   經(jīng)驗表明，簡單、規(guī)則、對稱的建筑抗震能力強，在地震時不易破壞；反之，如果房屋體形不規(guī)則，平面上凸出凹進，立面上高低錯落，在地震時容易產(chǎn)生震害。而且，簡單、規(guī)則、對稱結(jié)構(gòu)容易準確計算其地震反應，可以保證地震作用具有明確直接的傳遞途徑，容易采取抗震構(gòu)造措施和進行細部處理。   3.選擇合理的結(jié)構(gòu)形式?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系是抗震設計應考慮的關鍵問題。按結(jié)構(gòu)材料分類，目前主要應用的結(jié)構(gòu)體系有砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)等；按結(jié)構(gòu)形式分類，目前常見的有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、簡體結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)體系的確定受到抗震設防烈度、建筑高度、場地條件以及建筑材料、施工條件、經(jīng)濟條件等諸多因素影響，是一個綜合的技術(shù)經(jīng)濟問題，需進行周密考慮確定。   抗震規(guī)范對建筑結(jié)構(gòu)體系主要有以下規(guī)定：①結(jié)構(gòu)體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；②結(jié)構(gòu)體系宜具有多道抗震防線，應避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導致整個體系喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；③結(jié)構(gòu)體系應具有必要的抗震承載力，良好的變形能力和耗能能力；④結(jié)構(gòu)體系宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中，對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力；⑤結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近，在結(jié)構(gòu)布置時，應遵循平面布置對稱、立面布置均勻的原則，以避免質(zhì)心和剛心不重合而造成扭轉(zhuǎn)振動和產(chǎn)生薄弱層。   4.提高結(jié)構(gòu)的延性。結(jié)構(gòu)的延性可定義為結(jié)構(gòu)在承載力無明顯降低的前提下發(fā)生非彈性變形的能力。結(jié)構(gòu)的延性反映了結(jié)構(gòu)的變形能力，是防止在地震作用下倒塌的關鍵因素之一。   結(jié)構(gòu)良好的延性有助于減小地震作用，吸收與耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。而結(jié)構(gòu)延性和耗能的大小，取決于構(gòu)件的破壞形態(tài)及其塑化過程，彎曲構(gòu)件的延性遠遠大于剪切構(gòu)件，構(gòu)件彎曲屈服直至破壞所消耗的地震輸入能量，也遠遠高于構(gòu)件剪切破壞所消耗的能量。因此，結(jié)構(gòu)設計應力求避免構(gòu)件的剪切破壞，爭取更多的構(gòu)件實現(xiàn)彎曲破壞。始終遵循“強柱弱梁，強煎弱彎、強節(jié)點、弱錨固”原則。構(gòu)件的破壞和退出工作，使整個結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過渡到另外一種穩(wěn)定體系，致使結(jié)構(gòu)的周期發(fā)生變化，以避免地震卓越周期長時間持續(xù)作用引起的共振效應。   5.確保結(jié)構(gòu)的整體性。結(jié)構(gòu)是由許多構(gòu)件連接組合而成的一個整體，并通過各個構(gòu)件的協(xié)調(diào)工作來有效地抵抗地震作用。若結(jié)構(gòu)在地震作用下喪失了整體性，則結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的抗震能力不能充分發(fā)揮，這樣容易使結(jié)構(gòu)成為機動體而倒塌。因此，結(jié)構(gòu)的整體性是保證結(jié)構(gòu)各個部分在地震作用下協(xié)調(diào)工作的重要條件，確保結(jié)構(gòu)的整體性是抗震概念設計的重要內(nèi)容。   為了充分發(fā)揮各構(gòu)件的抗震能力，確保結(jié)構(gòu)的整體性，在設計的過程中應遵循以下原則：①結(jié)構(gòu)應具有連續(xù)性。結(jié)構(gòu)的連續(xù)性是使結(jié)構(gòu)在地震作用時能夠保持整體的重要手段之一。②保證構(gòu)件間的可靠連接。提高建筑物的抗震性能，保證各個構(gòu)件充分發(fā)揮承載力，關鍵的是加強構(gòu)件間的連接，使之能滿足傳遞地震力時的強度要求和適應地震時大變形的延性要求。③增強房屋的豎向剛度。在設計時，應使結(jié)構(gòu)沿縱、橫2個方向具有足夠的整體豎向剛度，并使房屋基礎具有較強的整體性，以抵抗地震時可能發(fā)生的地基不均勻沉降及地面裂隙穿過房屋時所造成的危害。